擠壓膨化對醬油渣蛋白溶解度的影響

張海靜，楊哲，張敏，曹燕飛，姜麗君，李宏軍

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

醬油渣是釀造醬油后產生的殘渣，富含大量的營養成分或有機物質，但由于原料和釀造工藝的不同，醬油渣的組成成分存在較大的差異[1]。醬油生產過程中對原料中的蛋白質利用率約為60%[2]，醬油渣中仍殘留較多的蛋白質。經測定，醬油渣（干基）中蛋白質含量約為26.6%，粗纖維含量約為28.4%，脂肪含量約為8.9%，還含有豐富的大豆異黃酮等營養成分。根據中商產業研究院數據庫2019年的報告顯示，2018年全國醬油總產量約為589.04萬噸，與去年相比增長4.3%[3]，且醬油年產量逐漸增長，若按照每生產1 kg醬油將會產生含水量為75%的醬油渣0.67 kg計算[4]，2018年產生的醬油渣約為394.7萬噸。目前醬油渣的再利用方式比較單一，且利用率較低，如作為飼料或者飼料添加劑，但是由于醬油渣中含有較高的鹽分，造成動物適口性差，并且還會引起動物食鹽中毒[5]；若作為肥料，極易引起鹽堿化；仍有大量的醬油渣未被處理而直接掩埋[6]，破壞生態平衡，造成嚴重的環境污染問題。

醬油渣中殘留了大量的蛋白質，是研究醬油渣再利用或高值化的主要研究物質。目前主要研究了醬油渣中蛋白質的性質[7]、多肽的提取方式[8]、提取物抗氧化活性的測定[9]及酶解法制備免疫活性肽[2]，但對醬油渣進行擠壓來探究蛋白溶解度的變化研究鮮有報道。蛋白溶解度可以用來分析蛋白質在擠壓過程中蛋白質變性程度及結構的改變，同時對蛋白質的分離、提取和純化有重要的意義。

本研究是通過將擠壓技術運用到醬油渣處理上，改變物料含水量、擠壓溫度和螺桿轉速對醬油渣進行擠壓，采用單因素和響應面優化試驗探究擠壓參數對醬油渣蛋白溶解度的影響規律，通過回歸分析獲得最優擠壓參數，以期可以提高醬油渣的利用率，實現物盡其用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

醬油渣（含水量84%）：山東玉兔食品有限責任公司;氫氧化鉀（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

單螺桿擠壓機：山東理工大學農產品精深加工與貯藏實驗室自制；全自動凱氏定氮儀（K9860）：濟南海能儀器股份有限公司；離心機（DL-5-B）：上海安亭科學儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 擠壓膨化的工藝流程

醬油渣（含水量7.2%）→調節水分含量→擠壓膨化→冷卻→備用

1.3.2 蛋白溶解度的測定

蛋白溶解度的測定參考HOFFMANN D等[10]的方法。稱取1 g樣品于50 mL離心管中，加入40 mL濃度為2 g/L氫氧化鉀溶液，用渦旋混合器混勻10 min，在25℃下5 000 r/min離心10 min。用凱氏定氮法測定上清液和樣品中的氮含量。

1.3.3 擠壓膨化單因素試驗

選取擠壓溫度（80、90、100、110、120 ℃），含水量（30%、32%、34%、36%、38%）和螺桿轉速（80、90、100、110、120 r/min）為考察因素，蛋白溶解度作為評價指標進行單因素試驗，探究不同因素變化對蛋白溶解度的影響，同時確定最佳因素水平作為響應面中間水平。

1.3.4 響應面試驗設計優化擠壓參數

根據單因素試驗結果，將擠出物蛋白溶解度（Y）作為考察指標，選擇擠壓溫度（A）、含水量（B）、螺桿轉速（C）為擠壓參數，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面試驗設計，確定最佳擠壓參數，響應面試驗因素與水平見表1。

表1 響應面優化醬油渣擠壓參數試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for the optimization of extrusion parameters in soy sauce residue

1.4 數據處理

使用Origin Pro 9.1軟件進行繪圖，Design-Expert 8.0.6對數據進行處理及分析。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化單因素試驗

2.1.1 擠壓溫度對擠出物蛋白溶解度的影響

擠壓溫度對擠出物蛋白溶解度的影響見圖1。

圖1 擠壓溫度對擠出物蛋白溶解度的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on protein solubility of extrudate

由圖1可知，擠出物蛋白溶解度表現出隨著擠壓溫度的升高而先增加后降低的趨勢。當擠壓溫度為100℃時，擠出物蛋白溶解度達到最大值，為54.2%；隨著擠壓溫度的繼續升高，醬油渣蛋白溶解度呈現為下降的趨勢。這可能是因為在較低的擠壓溫度下，巰基和二硫鍵發生轉換，并且蛋白質的變性程度較低，導致蛋白溶解度逐漸增加；當擠壓溫度超過100℃時，物料中的水分被快速蒸發，導致物料無法達到熔融狀態，并且在高溫下蛋白質分子間發生重組和交聯變化，導致蛋白質溶解度降低[11-12]。因此，最佳擠壓溫度為100℃。

2.1.2 含水量對擠出物蛋白溶解度的影響

含水量對擠出物蛋白溶解度的影響見圖2。

圖2 含水量對擠出物蛋白溶解度的影響Fig.2 Effect of the moisture on protein solubility of extrudate

由圖2可以看出，隨著含水量的增加擠出物蛋白溶解度呈現出先急劇增加然后急劇降低的趨勢。在含水量為34%時，蛋白溶解度達到最大值，為53.9%；當繼續增大物料的含水量時，擠出物的蛋白溶解度表現出下降的趨勢。這可能是因為在較低的含水量條件下，物料內部、物料與螺桿及物料與機筒之間的摩擦力和剪切力增大，導致蛋白質結構發生破壞，因此擠出物蛋白溶解度增加；當繼續增加物料含水量時，物料之間濕度增大，導致機筒溫度發生降低，物料之間的摩擦力和剪切力也相應降低，致使物料沒有得到充分的蒸煮[13]，無法達到最佳擠壓效果，因此蛋白溶解度逐漸下降，所以最佳物料含水量為34%。

2.1.3 螺桿轉速對擠出物蛋白溶解度的影響

螺桿轉速對擠出物蛋白溶解度的影響見圖3。

圖3 螺桿轉速對擠出物蛋白溶解度的影響Fig.3 Effect of the screw speed on protein solubility of extrudate

由圖3可知，擠出物蛋白溶解度隨著螺桿轉速的增加表現出先增加后降低的趨勢。當螺桿轉速達到100 r/min時，擠出物蛋白溶解度達到最大值，為54.5%；當繼續增大螺桿轉速時，擠出物蛋白溶解度開始逐漸下降。可能是因為在較低的螺桿轉速下，物料在機筒內停留的時間增加，受到充分的剪切力和高溫作用，導致擠出物蛋白溶解度增加；當繼續增加螺桿轉速時，物料在機筒內停留時間短，蛋白質結構破壞程度低，并且物料沒有完全從固態轉化為流體熔融狀態，無法達到最佳擠壓效果，因此蛋白溶解度表現為降低的趨勢。因此，最佳螺桿轉速為100 r/min。

2.2 響應面試驗優化結果

響應面優化醬油渣擠壓參數試驗設計與結果見表2。

表2 響應面優化醬油渣擠壓參數試驗設計與結果Table 2 Design and results of response surface tests for the optimization of extrusion parameters in soy sauce residue

將表2中獲得的擠出物蛋白溶解度試驗結果運用Design-Expert8.0.6軟件進行擬合分析，獲得二次多項式回歸方程如下：Y=55.32+1.06A-0.63B-0.54C+0.10AB-0.22AC-0.10BC-1.26A2-1.19B2-0.86C2。

擠出物蛋白溶解度的回歸模型方差分析見表3。

表3 擠出物蛋白溶解度的回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model for protein solubility of the extrudate

由表3可知，回歸方程模型極顯著（P＜0.000 1），表明回歸方程的因變量與自變量之間的相關關系顯著。回歸方程模型P＜0.000 1，表明該回歸模型差異極顯著，失擬項P=0.051 7＞0.05，不顯著，說明回歸方程合理且可行；R2=0.994 3，R2Adj=0.989 1，說明該試驗的結果與預測值接近，因此試驗的可信度和精密度較高。其中因素 A、B、C，二次項 A2、B2、C2均對結果有極顯著影響（P＜0.01），交互項AC對結果有顯著影響（P＜0.05），但是交互項AB、BC對結果沒有顯著影響（P＞0.05）。由F值可知，在試驗范圍內各因素對蛋白溶解度的影響依次是A（擠壓溫度）＞B（含水量）＞C（螺桿轉速）。綜上所述，可以說明所建立的模型與醬油渣擠出物蛋白溶解度的數據相吻合，能夠準確預測分析各因素對擠出物蛋白溶解度的影響。

根據回歸方程繪制響應面分析圖，來確定擠壓溫度、含水量和螺桿轉速對擠出物蛋白溶解度的影響，響應曲面和等高線如圖4所示。

圖4 擠壓溫度、含水量、螺桿轉速交互作用對擠出物蛋白溶解度影響的響應曲面與等高線Fig.4 Response surface plots and contour line of effects of interaction between extrusion temperature,moisture and screw speed on protein solubility of the extrudate

由圖4（a）可以看出，擠壓溫度維持不變，擠出物蛋白溶解度隨著含水量的增加呈現出先增加后降低的趨勢；若保持含水量不變，擠出物蛋白溶解度隨著擠壓溫度的升高而逐漸增大，當擠壓溫度為104℃左右時，蛋白溶解度達到最大值，隨后蛋白溶解度開始逐漸下降。可能是因為在較低溫度時，蛋白質結構被破壞，促進了蛋白質分子鏈的展開，迫使蛋白質分子膨脹，釋放出更多的蛋白質分子到溶液中[14]，引起蛋白溶解度的升高；當溫度超過104℃時，蛋白質分子之間的二硫鍵和氫鍵相互交聯形成聚集物[15-16]，增加了蛋白質分子之間的交聯程度，并且蛋白質變性程度也增加，導致蛋白溶解度降低，這與呂松喬等[17]研究結果一致。由圖4（b）可知，固定擠壓溫度不變，隨著螺桿轉速的增加，擠出物蛋白溶解度表現出先增加后降低的趨勢，并且在螺桿轉速為96 r/min左右時，蛋白溶解度達到最大值，此后開始降低。可能的原因是在低螺桿轉速時，剪切力和摩擦力較小，但是物料在機筒內停留的時間增加，可以受到充分的蒸煮作用，此時物料可以達到熔融狀態，導致蛋白溶解度增加；當螺桿轉速超過96 r/min時，雖然剪切力變大，但是物料在機筒停留時間縮短，蒸煮效果不佳，且物料沒有完全轉化為熔融狀態，導致蛋白溶解度的降低。由圖4（c）可以看出，當螺桿轉速不變時，擠出物蛋白溶解度隨著含水量的增加先是逐漸增加，在含水量為33%左右時，蛋白溶解度達到最大值，當繼續增大物料含水量時，蛋白溶解度則表現為下降的趨勢。可能的原因是在較低的含水量時，物料之間的摩擦力和剪切力增大，而蛋白質聚合物對剪切是敏感的[18]，導致較大團聚體發生破碎，分子量降低，致使擠出物蛋白溶解度的增加；當含水量繼續增大時，物料的濕度增加，生成大量的二硫鍵，與共價鍵和非共價鍵相互作用，提高了蛋白質分子之間的聚集程度[19]，并且在高溫的作用下，蛋白質易發生伸展變性，導致蛋白溶解度逐漸降低，這與洪濱等[20]的研究結果一致。

通過二次回歸方程進行換算可知，擠壓膨化對醬油渣中蛋白溶解度影響的最優試驗因素組合為：擠壓溫度104.44℃，含水量33.54%，螺桿轉速96.43 r/min。此時，醬油渣中蛋白溶解度的理論最大值為55.72%。

2.3 驗證試驗

根據實際條件及操作可行性，將擠壓工藝條件調整為擠壓溫度104℃，含水量34%，螺桿轉速96 r/min，通過3次平行試驗，測定所得樣品的蛋白溶解度平均值為55.43%，而理論的蛋白溶解度為55.72%，二者的相對誤差＜5%，在允許的范圍內，說明建立的回歸模型擬合度較高，能夠準確預測擠壓參數，具有實際應用價值。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，通過響應面試驗對擠壓溫度、含水量和螺桿轉速進行優化，建立二次多項式模型，考察擠壓參數與蛋白溶解度之間的關系，并證實該模型的正確性。通過Design-Expert 8.0.6軟件進行分析，得出最佳擠壓參數為擠壓溫度104℃，含水量34%，螺桿轉速96 r/min，此時擠出物蛋白溶解度為55.43%，較未擠壓醬油渣相比，蛋白溶解度提高了31.7%，說明醬油渣可以作為一種蛋白資源被高值化利用，從而提高醬油產業的經濟效益。